Einführung in die Grundfarben

Die drei Grundfarben des Lichts sind Rot, Blau und Grün, weil sie für das menschliche Sehen von grundlegender Bedeutung sind. In diesem Artikel befassen wir uns mit der Verarbeitung von Farben durch das menschliche Auge, dem sichtbaren Lichtspektrum, dem Unterschied zwischen additiven und subtraktiven Grundfarben und der Verwendung der Grundfarben in der Praxis.

Was sind die Grundfarben?

Das Licht der Sonne besteht aus einem nahezu kontinuierlichen Spektrum elektromagnetischer Strahlung, wobei der größte Teil der Energie in Wellenlängen zwischen 220 und 3.200 Nanometern konzentriert ist. Beim Weg durch die Erdatmosphäre wird ein Großteil der Lichtwellen oberhalb von 2.000 Nanometern (infrarote Wellenlängen) von Kohlendioxid, Wasserdampf und Ozon absorbiert, so dass die meisten nicht den Boden erreichen. Auch die kürzeren ultravioletten Wellen werden von der Ozonschicht absorbiert. Diese Filterwirkung der Atmosphäre begrenzt das Spektrum der Lichtwellen, die den Boden erreichen, auf Wellenlängen zwischen 320 und 2.000 Nanometern.

Das menschliche Auge ist empfindlich für ein schmales Band elektromagnetischer Strahlung, das im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 Nanometern liegt und allgemein als sichtbares Lichtspektrum bezeichnet wird. Alle Farben liegen in diesem Spektrum. Alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts – etwa ein Drittel des gesamten Spektrums, das durch die Erdatmosphäre gelangt – bilden zusammen ein farbloses weißes Licht, das mit Hilfe eines Prismas gebrochen und in seine einzelnen Farben zerlegt werden kann. Die Farben Rot, Grün und Blau werden klassischerweise als Grundfarben des Lichts betrachtet, da sie für das menschliche Sehen von grundlegender Bedeutung sind.

Additive Grundfarben

Das Auge enthält Zapfen-Photorezeptoren (siehe Abbildung 1), die in der kleinen zentralen Netzhautgrube eingebettet sind und mit speziellen Pigmentproteinen auf Wellenlängen reagieren, die innerhalb dieser drei Regionen (Rot, Grün und Blau) verteilt sind. Alle Farben des sichtbaren Lichtspektrums, die von Violett bis Rot reichen, können durch Addition oder Subtraktion verschiedener Kombinationen der drei Grundfarben erzeugt werden. Der Mensch nimmt Licht als weiß wahr, wenn alle drei Zapfenzelltypen gleichzeitig durch gleiche Mengen an rotem, grünem und blauem Licht angeregt werden. Da die Addition dieser drei Farben weißes Licht ergibt, werden die Farben Rot, Grün und Blau als additive Grundfarben bezeichnet.

Farbwahrnehmung im menschlichen Auge

Wenn nur eine oder zwei Arten von Zapfenzellen stimuliert werden, ist das Spektrum der wahrgenommenen Farben begrenzt. Wenn zum Beispiel ein schmales Band von Licht im grünen Bereich (540 bis 550 Nanometer) verwendet wird, um alle Zapfenzellen anzuregen, reagieren nur diejenigen, die grüne Photorezeptoren enthalten, und erzeugen ein Signal für die Farbe Grün. Die menschliche visuelle Wahrnehmung von nicht primären additiven Farben, z. B. Gelb, kann auf zwei Arten entstehen. Werden die roten und grünen Zapfenzellen gleichzeitig mit monochromatischem gelbem Licht mit einer Wellenlänge von 580 Nanometern angeregt, reagieren die Zapfenrezeptoren jeweils nahezu gleich, da sich ihre Absorptionsspektren in diesem Bereich des sichtbaren Lichtspektrums mehr oder weniger überlappen. Das gleiche Farbsignal kann erreicht werden, indem die roten und grünen Zapfenzellen einzeln mit einer Mischung verschiedener roter und grüner Wellenlängen stimuliert werden, die aus Bereichen der Rezeptorabsorptionsspektren ausgewählt werden, die sich nicht wesentlich überschneiden. Das Ergebnis ist in beiden Fällen die gleichzeitige Stimulierung roter und grüner Zapfenzellen zur Erzeugung eines gelben Signals, auch wenn dazu zwei unterschiedliche Mechanismen wirken. Um andere Farben wahrnehmen zu können, ist die Stimulierung einer, zweier oder aller drei Arten von Zapfenzellen in unterschiedlichem Ausmaß mit dem entsprechenden Wellenlängenspektrum erforderlich.

Komplementärfarben

Wenn gleiche Anteile von grünem und blauem Licht addiert werden, wird die daraus entstehende Farbe als Cyan bezeichnet. Ebenso erzeugen gleiche Anteile von grünem und rotem Licht die Farbe Gelb, und gleiche Anteile von rotem und blauem Licht ergeben die Farbe Magenta. Die Farben Cyan, Magenta und Gelb werden gemeinhin als Komplementärfarben bezeichnet, da sie jeweils eine der Grundfarben in einer weißen Lichtmischung ergänzen. Gelb (Rot plus Grün) ist die Komplementärfarbe von Blau, denn wenn die beiden Farben addiert werden, entsteht weißes Licht. Ebenso ist Cyan (Grün plus Blau) die Komplementärfarbe von Rot, und Magenta (Rot plus Blau) ist die Komplementärfarbe von grünem Licht.

Subtraktive Grundfarben

Die Komplementärfarben (Cyan, Gelb und Magenta) werden gemeinhin auch als subtraktive Grundfarben bezeichnet, da sie jeweils durch Subtraktion einer der additiven Grundfarben (Rot, Grün und Blau) von weißem Licht gebildet werden können. Zum Beispiel sehen wir gelbes Licht, wenn alles blaue Licht aus dem weißen Licht entfernt wird, Magenta entsteht, wenn Grün entfernt wird, und Cyan wird erzeugt, wenn Rot entfernt wird. Die Farbe, die wir bei der Subtraktion einer Grundfarbe von weißem Licht sehen, entsteht, weil das Gehirn die verbleibenden Farben addiert, um die jeweilige Komplementär- oder subtraktive Farbe zu erzeugen. Abbildung 2 zeigt sich überschneidende Farbkreise sowohl der additiven als auch der subtraktiven Grundfarben. Die Überschneidungsbereiche zeigen die neuen Farben, die durch Addition und Subtraktion verschiedener Kombinationen dieser sechs Grundfarben entstehen, und verdeutlichen, wie sich die additiven und subtraktiven Grundfarben gegenseitig ergänzen.

Wenn zwei der subtraktiven Grundfarben addiert werden, entsteht eine additive Grundfarbe. So ergibt beispielsweise die Addition von Magenta und Cyan die Farbe Blau, während die Addition von Gelb und Magenta Rot ergibt. In ähnlicher Weise ergibt die Addition von Gelb und Cyan Grün (siehe Abbildung 2). Wenn alle drei subtraktiven Grundfarben addiert werden, werden die drei additiven Grundfarben aus dem weißen Licht entfernt, so dass Schwarz (das Fehlen jeglicher Farbe) übrig bleibt. Weiß kann nicht durch irgendeine Kombination der subtraktiven Grundfarben erzeugt werden, was der Hauptgrund dafür ist, dass keine Mischung aus bunten Farben oder Tinten verwendet werden kann, um Weiß zu drucken.

Addition und Subtraktion von Farben

Ein gutes Beispiel für die Addition und Subtraktion von Farben sind die Farbveränderungen des Sonnenlichts, wenn die Sonne aufsteigt, hoch am Himmel steht und dann wieder untergeht. Die Farbe des Sonnenlichts verändert sich auf dem Weg durch die Erdatmosphäre, weil durch die Kollision der Photonen mit den unterschiedlich dichten Luftmolekülen ein Teil der Farben entfernt wird. Wenn die Sonne am späten Vormittag und frühen Nachmittag hoch am Himmel steht, erscheint das Licht gelb. Wenn sich die Sonne dem Horizont nähert, muss das Licht einen größeren Teil der Atmosphäre durchqueren und färbt sich erst orange und dann rot. Dies liegt daran, dass die Luft immer mehr blaues Licht von der Sonne absorbiert, so dass nur noch die längeren Wellenlängen im roten Bereich des sichtbaren Lichtspektrums übrig bleiben.

Farbvariationen durch unterschiedliche Beleuchtung

Die in Abbildung 3 gezeigte Fotoserie enthält Bilder einer Spielkarte (Herz 3), einer grünen Paprika und einer bläulich-violetten Weintraube, die auf einem schwarzen Hintergrund liegen. Auf dem Foto links (Abbildung 3(a)) werden die drei Objekte mit weißem Licht bestrahlt und erscheinen so, wie wir sie bei natürlicher Beleuchtung erwarten. Auf dem zweiten Foto (Abbildung 3(b)) werden die Objekte mit rotem Licht bestrahlt. Beachten Sie, dass die Spielkarte das gesamte rote Licht, das auf sie fällt, reflektiert, während nur der Traubenstiel und die weißen Lichtpunkte auf den Trauben und der Paprika das rote Licht reflektieren. Der Großteil des roten Lichts, das auf die Trauben und die Paprika trifft, wird absorbiert.

Das dritte Foto der Serie (Abbildung 3(c)) zeigt die mit grünem Licht bestrahlten Gegenstände. Die Symbole auf der Spielkarte sind nun schwarz, und der Rest der Karte reflektiert grünes Licht. Die Trauben reflektieren etwas grünes Licht, während die Paprika normal (aber mit grünen Lichtpunkten) erscheint. Das vierte Foto (Abbildung 3(d)) zeigt die Objekte im blauen Licht. Die Trauben erscheinen normal mit blauen Lichtpunkten, aber der Stiel ist nun schwarz und damit unsichtbar. Die Spielkarte reflektiert blaues Licht mit schwarzen Symbolen, und die Paprika reflektiert blaues Licht nur an den Lichtpunkten. Diese Bildserie zeigt, wie ein Objekt, das rot aussieht (z. B. in weißem Licht), blaue und grüne Wellenlängen absorbiert, aber Wellenlängen im roten Bereich des Spektrums reflektiert. Daher wird das Objekt als rot wahrgenommen.

Farbton, Sättigung und Helligkeit

Das menschliche Auge reagiert auf sehr geringe Farbunterschiede und ist wahrscheinlich in der Lage, zwischen 8 bis 12 Millionen einzelnen Farbtönen zu unterscheiden. Die meisten Farben enthalten einen gewissen Anteil aller Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Was tatsächlich von Farbe zu Farbe variiert, ist die Verteilung der Wellenlängen in einer bestimmten Farbe. Die vorherrschende Wellenlängenpalette bestimmt den Grundton der Farbe, der z. B. lila, türkis, beige, rosa oder orange sein kann. Das Verhältnis der dominanten Wellenlängen zu anderen Wellenlängen bestimmt die Sättigung der Farbe, und ob sie blass oder stark gesättigt erscheint. Die Intensität der Farbe und das Reflexionsvermögen des abzubildenden Objekts bestimmen die Helligkeit der Farbe (z. B. dunkel- oder hellblau). Dies wird im Munsell-Farbsystem sehr gut veranschaulicht: Jede Farbe hat eine bestimmte Position im Farbsystem (siehe Abbildung 4). Der Farbton wird durch die Position außen, die Sättigung durch den horizontalen Abstand der Farbe zur Mittelachse und die Helligkeit durch die vertikale Position dargestellt.

Farbsubtraktion

Ein Großteil dieser Diskussion beschäftigt sich mit den Eigenschaften des sichtbaren Lichts im Hinblick auf die Addition und Subtraktion des übertragenen sichtbaren Lichts, das auf dem Bildschirm eines Computers oder Fernsehers sichtbar gemacht werden kann. Was wir tatsächlich beobachten, ist jedoch meistens Licht, das von Objekten in unserer Umgebung reflektiert wird, z. B. von anderen Personen, Gebäuden, Autos, Landschaften usw. Diese Objekte erzeugen selbst kein Licht, sondern erscheinen farbig durch einen Prozess, der als Farbsubtraktion bekannt ist und bei dem bestimmte Wellenlängen des Lichts subtrahiert (absorbiert) und andere reflektiert werden (wie in Abbildung 3 dargestellt). So erscheint beispielsweise ein Blatt im natürlichen Sonnenlicht in der Farbe Grün, weil es grüne Wellenlängen reflektiert und alle anderen Farben absorbiert. Der Farbton, die Helligkeit und die Farbsättigung des reflektierten grünen Lichts werden durch das genaue Spektrum der reflektierten Wellenlängen bestimmt.

Grundfarben in der realen Welt

Pigmente und Farbstoffe sind für den Großteil der Farben verantwortlich, die wir in der realen Welt sehen. Augen, Haut und Haare enthalten natürliche Eiweißpigmente, die die Farben reflektieren und die Farben der Menschen um uns herum ausmachen (neben Farben, die in Makeup und Haarfärbemitteln verwendet werden). Bücher, Zeitschriften, Schilder und Werbetafeln werden mit farbigen Tinten gedruckt, die Farben durch den Prozess der Farbsubtraktion erzeugen. In ähnlicher Weise werden Autos, Flugzeuge, Häuser und andere Gebäude mit Farben gestrichen, die eine Auswahl von Pigmenten enthalten. Das oben beschriebene Konzept der Farbsubtraktion ist für den Großteil der Farben verantwortlich, die von den gerade beschriebenen Objekten erzeugt werden. Seit vielen Jahren sind Künstler und Drucker auf der Suche nach Substanzen, die Farbstoffe und Pigmente enthalten, mit denen sich bestimmte Farben besonders gut subtrahieren lassen.

Drucken mit den Grundfarben

Alle Farbfotografien und andere Bilder, die gemalt oder gedruckt werden, werden mit nur vier Farbtinten oder Farbstoffen hergestellt: Magenta, Cyan, Gelb (die subtraktiven Grundfarben) und Schwarz (siehe Abbildung 5). Durch das Mischen von Tinten oder Farbstoffen, die diese Farben in unterschiedlichen Anteilen enthalten, können die Farben erzeugt werden, die erforderlich sind, um nahezu jedes Bild oder jede Farbe zu reproduzieren. Die drei subtraktiven Grundfarben könnten (theoretisch) allein verwendet werden, aber die Einschränkungen der meisten Farbstoffe und Pigmente machen es erforderlich, Schwarz hinzuzufügen, um echte Farbtöne zu erzielen. Wenn ein Bild für den Druck in einem Buch oder einer Zeitschrift vorbereitet wird, wird es zunächst in die einzelnen subtraktiven Grundfarben zerlegt, entweder fotografisch oder mit Hilfe eines Computers, wie in Abbildung 5 dargestellt. Aus jeder einzelnen Komponente wird ein Film erstellt, der zur Vorbereitung einer Druckplatte für die jeweilige Farbe verwendet wird. Das endgültige Bild entsteht, indem die einzelnen Farbplatten nacheinander mit der entsprechenden Druckfarbe übereinander gedruckt werden, so dass ein Gemisch entsteht, das das Aussehen des Originals wiedergibt. Farbe wird auf eine ähnliche Weise hergestellt. Die Basispigmente, die die subtraktiven Grundfarben enthalten, werden gemischt, um die verschiedenen Farben zu bilden, die in den endgültigen Farbzubereitungen verwendet werden.

Verwendung der Grundfarben in Mikroskopen und Kameras

In dieser Diskussion wurden die verschiedenen Aspekte der additiven und subtraktiven Grundfarben behandelt. Bei der Verwendung des Mikroskops zur Betrachtung und Aufnahme von Farbbildern sind die Konzepte der additiven und subtraktiven Grundfarben sehr wichtig. Mikroskop-Lichtquellen können je nach Art der Lichtquelle ein helles Licht mit einer Farbtemperatur von 3200 K bis 5500 K aussenden. Für den Beobachter erscheinen sie als weißes Licht, das von einer Probe auf dem Mikroskoptisch absorbiert, gebrochen, reflektiert, polarisiert und/oder durchgelassen werden kann. Die Regeln der Grundfarben bestimmen, wie die Probe mit dem Mikroskoplicht interagiert, und auch, welche Farben angezeigt werden, wenn die Probe durch die Okulare sichtbar wird. Diese Regeln gelten auch für den Film in einem herkömmlichen Kamerasystem oder für ein am Mikroskop angebrachtes digitales Bildgebungsgerät, die beide auf die Wechselbeziehungen zwischen den Grundfarben angewiesen sind, um Bilder aufzunehmen.